泵浦光增强型光参量啁啾脉冲再生放大方法

摘要

本发明涉及一种新型的光参量啁啾脉冲放大方法，该方法利用环型腔的结构对原泵浦光进行腔内叠加增强，以增强泵浦光的功率密度，再利用信号光和泵浦光在各自腔内的光程差，实现泵浦光的重复利用，以提高转化效率，最后采用腔倒空技术选择最佳的参量放大次数，控制参量过程中的饱和效应，其中对原泵浦光进行腔内叠加增强，是利用环型腔的结构，使泵浦光脉冲前沿和后延在腔内叠加，其优点是，利用宽脉宽高能量的泵浦源获得高能量短脉冲输出的同时，能最大限度地提高泵浦光的转化效率。

说明书

技术领域

本发明涉及一种新型的光参量啁啾脉冲放大方法，属于超快激光脉冲放大技术，该方法结合了多通参量放大和腔内叠加增强的特点，可以实现泵浦光能量的充分利用，从而优化转换效率。

背景技术

高峰值功率高单脉冲能量是研究极端物理条件下物质相互作用的重要手段，所以怎么获得超短强激光脉冲已经成为目前国内外研究的热门领域之一。目前光脉冲放大主要有三种方法：一是啁啾脉冲(CPA)放大办法，是将飞秒种子光脉冲在时域上展宽，再经激光增益介质放大，最后利用压缩器压缩脉宽得到超短脉冲，在CPA系统中一般都要经过多级放大，达到饱和增益后经倒空腔输出，在CPA系统中，虽然能获得高增益，但同时存在着许多缺点：自发辐射信号得到放大，经CPA输出的光脉冲对比度不高；脉冲的逐级放大，光谱窄化效应越明显，使得很难压缩到原来的飞秒量级。二是光参量啁啾脉冲放大方法，可以获得较大的单脉冲能量和峰值功率，其参量过程可以支持很宽的光谱宽度，所以OPCPA系统可以产生很短的激光脉冲，其原理就是利用非线性晶体把泵浦光的能量转化到信号光中，所以要获得高的脉冲能量输出就需要高能量的泵浦光。光同步泵浦系统中，钛宝石飞秒激光(femtosecondTi：sapphire system)系统输出脉冲一部分作为OPCPA的种子光，另一部分经多通放大后作为泵浦光，其单脉冲能量(10mJ)限制了输出脉冲能量的提高。YAG激光器输出的脉冲能量可达到几百个毫焦，可以用其作为泵浦源来解决这个问题，但由于YAG激光器输出的光脉冲脉宽为十纳秒级，而实验上又很难将飞秒信号光展宽成十纳秒量级，使得在光参量作用过程中，只有少部分和信号光同步的能量得到利用，转换效率较低。为了克服这一缺点，目前国际上已有许多研究小组提出了多通光参量放大的概念，但是由于参量过程中的饱和效应，目前在实验上还无法解决最大效率和多通次数之间的矛盾。三是光脉冲腔内相干叠加方法，2002年R.Jason Jones等人提出光脉冲腔内相干叠加来放大飞秒脉冲的思想，该方法要求严格的载波相位稳定，模式匹配条件较为严格，在实验上还是很难实现。

综上所述，虽然目前超短脉冲放大的技术很多，但都存在着各种缺陷与不足。

发明内容

本发明的目的是针对上述现有技术的不足之处，提供一种泵浦光增强型光参量啁啾脉冲再生放大方法，该方法利用环型腔的特殊结构对先泵浦光进行腔内叠加增强，并利用信号光和泵浦光在各自腔内的光程差实现泵浦光的重复利用，同时利用腔倒空技术来控制参量过程中的饱和效应，不仅解决了信号光饱和效应和泵浦光不能高效利用的问题，还实现了利用泵浦光腔内叠加增强的思想来提高泵浦光的转化效率。

本发明目的实现由以下技术方案完成：

一种泵浦光增强型光参量啁啾脉冲再生放大方法，其特征在于该方法利用环型腔的结构对原泵浦光进行腔内叠加增强，以增强泵浦光的功率密度，再利用信号光和泵浦光在各自腔内的光程差，实现泵浦光的重复利用，以提高转化效率，最后采用腔倒空技术选择最佳的参量放大次数，控制参量过程中的饱和效应，其中对原泵浦光进行腔内叠加增强，是利用环型腔的结构，使泵浦光脉冲前沿和后延在腔内叠加。

所述环型腔的结构是根据泵浦光的脉宽τ₀确定泵浦光腔的腔长L，该腔长使得泵浦光在泵浦腔内循环一周所需的时间τ＝L/c＜τ₀，其中的c为光速。

所述光程差的实现是：采用两个环型腔，即泵浦光腔和信号光腔，环型腔结构使得信号光在腔内循环一周后和泵浦光在时间上有一个延迟，利用此延迟实现信号光同另一部分泵浦光再一次进行参量放大。

所述的腔倒空技术，是当信号光脉冲增益达到最大时，改变信号光的偏振态，并由布儒斯特窗片反射到腔外。

本发明的优点是，利用宽脉宽高能量的泵浦源获得高能量短脉冲输出的同时，能最大限度地提高泵浦光的转化效率。

附图说明

附图1是泵浦光腔内叠加增强原理图；

附图2是光参量再生放大的原理图；

附图3是脉冲选单与同步系统光中及电路图；

附图4是光参量再生放大的光路图；

附图5是选单与同步系统的时序图。

具体实施方式

以下结合附图通过实施例对本发明特征及其它相关特征作进一步详细说明，以便于同行业技术人员的理解：

如图1-5所示，图中符号分别表示：τ是由腔长决定的光在腔内循环一周的时间τ，a为最先进入腔内的泵浦脉冲前沿，b为前两个T时间内泵浦脉冲叠加后的强度，c为前三个T时间内泵浦脉冲叠加后的强度，d为最后叠加增强后的脉冲强度，e为参量作用前的信号光，f为参量作用前泵浦光强，g为第一次参量作用后信号光强分布，h为第一次参量作用后泵浦光光强分布。1、钛宝石飞秒脉冲，2、共心衍射无象差展宽器，3、光电探测器，4、YAG调Q激光器，5、分束片，6、数字(SDGII)脉冲延时器，7、普克尔盒，8、偏振片，9、高压脉冲发生器(OHA)，10、P腔中泵浦光的耦合镜，11、YAG倍频光平面高反镜，12、S腔中信号光高反镜，13、普克尔盒，14、信号光高反镜，15、布儒斯特窗片，16、倍频晶体，17、参量放大晶体，18、延迟调节器，I、YAG脉冲触发信号，II、高压脉冲信号，III、高压脉冲信号，IV、选出的信号脉冲。

本实施例涉及以下技术：

首先是泵浦光腔内叠加放大技术，在光参量增强系统中，泵浦光(P光)的脉宽要比信号光的脉宽大几个量级，虽然可以采用多通技术来增加P光的利用率，但是由于饱和效应的存在，绝大部分时间内P光的能量还是得不到利用。所谓泵浦光腔内叠加放大就是利用环型腔的特殊结构，使得P光脉冲前沿和后延在腔内叠加。具体的方法是根据P光的脉宽τ₀来设计泵浦光腔(P腔)的腔长L，使得P光在P腔内循环一周所需的时间T＝L/c＜τ₀.其原理相当于对P光在时间上进行了压缩，使得泵光的功率密度P₀增加为$P=P_0\frac{{\tau }_0}{T},$相应P光的电场强度也增加了

其次是泵浦光和信号光的可控时间延迟技术，非共线的参量放大结构不仅提高了相位匹配宽度，而且由于P光的S光不在同一直线上，可以采用两个环型腔：泵浦光腔(P腔)和信号光腔(S腔)，利用腔的不同长度来控制信号光同泵浦光各时间部分的同步。环型腔结构使得信号光在腔内循环一周后和泵浦光在时间上有一个延迟，利用此延迟实现信号光同另一部分泵浦光再一次进行参量放大。具体的实现办法是根据S光展宽后的脉宽t₀，设计P腔腔长L_p比S腔腔长L_s大t₀·c，即L_p＝L_s+t₀·c。其基本原理如图2所示，信号光e和泵浦光f的后延时间重合，在腔内进行第一次参量作用。P光和S光各自腔内循环一周，S光比P光先t₀时间到达参量晶体处，使得信号光g和泵浦光h的另一时间部分重合，进行了参量放大。即S光每循环一周，就会比P光超前t₀，从而实现了P光分割利用。

最后是腔倒空脉冲输出技术，采用腔倒空技术选择最佳的参量放大次数。由于参量过程中的饱和效应，进行多次参量作用后，信号光的能量就有可能回流到泵浦光中。利用示波器监视腔内的增益，当增益达到最大时，通过设定的时间开关信号控制普克尔盒改变信号光的偏振态，由布儒斯特窗片反射到腔外。

具体实施如下：

在本实施例中泵浦源为Quanta-Ray PRO230 Nd:YAG Lasers，输出重复频率10Hz、脉宽10ns、中心波长1054nm、单脉冲能量350mJ；种子光源为Compact Pro，Femtolasers GmbH，输出重复频率75MHz、脉宽10fs；所采用的倍频晶体和参量晶体都是KDP，具体参数如下：倍频晶体：I类相位匹配，I类相位匹配切割θ＝41.2°，φ＝3mm，l＝4mm，参量晶体：I类相位匹配，θ＝47.64°，α＝3°。

1、泵浦光腔内叠加增强。YAG调Q激光器4输出的是脉宽为10ns、重复频率为10Hz的光脉冲，经展宽器展宽后的信号光在300-500ps之间，理论上可以支持20次以上的参量过程。但由于饱和效应的存在，不可能有20次的参量作用。设计腔的周长为5ns*c＝1.5米，10ns的泵浦光在腔内就被压缩成了5ns。如图1所示，泵光在腔内经过一周后前2T内的脉冲能量叠加形成b，一周后3T内的脉冲叠加形成c，再一周后4T内的脉冲叠加成d。这样在泵浦光腔内P光强度增加2倍左右，相应的电场强度增加4倍。

2、脉冲选单与同步。由于YAG调Q激光器4输出的是脉宽为10ns、重复频率为10Hz的光脉冲，而飞秒振荡器的重复频率是75MHz，所以要对信号光进行有效的参量放大，就必须从75MHz的脉冲中选出10Hz进行参量作用，并且所选出来的脉冲必须和泵浦光完全同步。此过程通过一个选单与同步系统完成。如图3中，钛宝石飞秒脉冲激光器1输出的种子光脉冲经共心衍射无象差展宽器2展宽成500ps，经分束片5分束后，一部分由PIN管3接收，图5中I即为PIN管接收到的信号，将此信号输入数字脉冲延时器(SDG，Synchronization and Delay Generator)6。YAG激光器4的Q-SW SYNC端输出的10Hz的触发信号II也输入延时器6，这两种电信号通过延时器SDG6中的TTL电路的同步、延迟作用，输出电脉冲信号III，此脉冲信号驱动脉冲发生器9中的高压FET脉冲调制产生高压电脉冲，该高压电脉冲施加在普克尔盒(Pokel Cell)7上，使其成为以10Hz开启的光快门，最终从75MHz的激光脉冲列中选出10Hz的光脉冲IV。

3、腔的设计。如图4所示，从展宽器输入S腔的信号光脉宽为500ps。要实现再生OPA，S光在腔内的光程必须比P光在腔内的光程少τ·c，即15cm。泵光的叠加放大要求P腔周长为150cm，其具体结构可选为65cm×10cm。那么S腔的结构应为(65cm-7.5cm)×10cm，再通过延迟器18精细调节两腔的匹配。根据参量晶体的非共线角调节两环形腔的夹角为3度。在P腔内插入倍频晶体16，调节16使其达到最大的倍频效率，然后精心调节P腔的反射镜11及耦合镜10，使得P光严格在腔内。同样调节S腔反射镜12，使信号光严格在腔内。然后在两光的交点处插入KDP晶体17上。

4、信号光脉冲的注入。如图4所示，展宽后的信号光脉冲通过布儒斯特窗片15耦合到腔内，调节SDGII15控制面板上的OUT-1 DELAY，控制门电压开启的时间，通过示波器监视使得调Q信号II和所选的信号光脉冲IV同步。由于选单后，信号光的偏振转过了90度，可以在腔内循环，从而实现脉冲注入。

5、信号光的输出。用示波器监视信号光脉冲在腔内的增益，调节SDGII15面板上的OUT DELAY2，控制加第二个普克尔盒(Pokel Cell)7上高压门开启的时间。经普克尔盒7后，信号光偏振方向转过90度，通过布儒斯特窗片15反射到腔外。